北京林业大学杜庆章研究组揭示DNA甲基化变异影响毛白杨旱胁迫抵抗和恢复能力的表观遗传基础

以下文章来源于植物与环境 PCE ，作者植物与环境 PCE

DNA甲基化作为基因组中重要的表观遗传修饰，在调节植物发育过程、逆境胁迫响应和维持基因组稳定性等方面发挥重要作用。研究表明，DNA甲基化在自然界中存在丰富的表观遗传变异，参与植物的环境适应性进化。干旱是影响植物正常生长发育的重要环境因素之一，DNA甲基化通过调控激素和代谢物合成等多种途径相关的基因表达，影响植物干旱胁迫响应。然而，大多数研究只关注植物在受到干旱胁迫时 DNA甲基化的调控模式，对不同生态型林木种质响应旱胁迫和复水过程的表观遗传规律，尤其是关键基因区域DNA甲基化变异与遗传变异对干旱胁迫响应的适应性选择基础与调控机制尚不清楚。

近期，北京林业大学在 Plant, Cell & Environment在线发表了题为 “Local diversity of drought resistance and resilience in Populus tomentosa correlates with the variation of DNA methylation” 的研究论文，揭示了DNA甲基化变异影响杨树旱胁迫抵抗和恢复能力的表观遗传基础。

研究发现，DNA甲基化在杨树干旱和复水过程中发挥重要作用。长期干旱胁迫后，基因本体和侧翼区域的DNA甲基化水平显著下降，其中 CHH甲基化对环境变化更敏感。不同气候区毛白杨种质的 DNA甲基化表现出明显的表观遗传变异，不同种质间CG甲基化变异通常不受环境的影响。联合利用群体遗传和表观遗传系统分析策略，鉴定了参与毛白杨干旱胁迫响应的两个核心基因 GATA9和 LECRK-VIII.2，并系统剖析了其调控气孔宽度和叶绿素含量的遗传与表观遗传基础，发掘了响应干旱胁迫的气候区适应性特征。

在复水阶段， LECRK-VIII.2启动子区域的甲基化水平降低从而提高了基因的表达，使杨树叶片叶绿素含量快速恢复。气候区适应性选择研究发现，在低纬度南部群体中，LECRK-VIII.2 低甲基化的关键表观遗传位点和关键遗传位点显著互作，使南部生态型个体拥有比北部生态型更高的叶绿素含量。在高纬度的北部群体，GATA9启动子区域的低甲基化表观遗传变异，使北部生态型个体的气孔形态比南部生态型个体的更狭小。因此来自低纬度南部的毛白杨种质叶片气孔更宽、叶绿素含量更高，有利于植物进行光合作用；而在北部群体中，狭小的气孔形态使其更能适应当地干旱缺水的气候环境。

利用毛白杨 F1家系群体，发现子代中 DNA甲基化的遗传模式取决于亲本 DNA甲基化水平。高甲基化水平位点的甲基化状态更容易在子代中得以保留，而中等和低甲基化水平的遗传取决于父本的甲基化水平。例如， GATA9基因区域内主效的低甲基化表观遗传位点稳定遗传自父本，且在毛白杨天然分布区受到了地理适应性选择。

本研究阐明了DNA甲基化对不同生态型毛白杨种质旱胁迫抵抗力和恢复力的遗传调控模式，揭示了干旱胁迫响应的遗传和表观遗传联合分子基础，为林木适应性进化的表观遗传基础提供了理论支撑，推动了林木抗旱种质遗传改良的研究进程。

北京林业大学林木分子育种团队博士生周嘉旋和博士后肖亮为论文共同第一作者，杜庆章教授和张德强教授为通讯作者。研究工作受到国家自然科学基金、北京市自然科学基金、浙江省重点研发计划、霍英东教育基金会及“111”引智基地等项目的联合支持。

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pce.14490

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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